2016 Fiscal Year Annual Research Report
非線形分光を用いた有機デバイス機能界面の分子配向と電荷輸送機構の解明
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15H03885
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
宮前 孝行 国立研究開発法人産業技術総合研究所, ナノ材料研究部門, 主任研究員 (80358134)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮寺 哲彦 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 太陽光発電研究センター, 研究員 (30443039)
阿澄 玲子 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 電子光技術研究部門, 副研究部門長 (40356366)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 有機デバイス / 有機薄膜太陽電池 / 有機トランジスタ / 有機EL / 分子配向 / 界面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、有機薄膜太陽電池や有機トランジスタ、有機ELなど有機エレクトロニクスデバイスの高効率化に向けて、デバイス駆動時のデバイス内部の電荷挙動のその場解析と電荷輸送にかかわる機能界面での分子配向秩序との相関を探るために、界面選択的な非線形分光である和周波発生(SFG)分光を用いて、有機薄膜界面の分子配向秩序んぼ解析とデバイス駆動人電荷輸送挙動の解析を進め、配向秩序と電荷輸送特性との相関を明らかにすることである。
本年度は、昨年故障により更新したレーザーの調整と装置の最適化を進めた。また素子への電圧印加に伴う電荷挙動を詳細に計測するために、素子へパルス電圧を印加しその時間変化を追跡することが可能な、時間分解SFG分光システム構築のための整備を進めた。素子に印加できるパルス電圧は波形生成器から取り出したものを高速バイポーラーアンプで増幅し、素子に電圧可変のパルス電圧を印加することが可能である。また素子へ印加された電圧をモニターするために光電子増倍管と電流プローブを設置し、有機デバイスへの電圧印加挙動を正確にモニターできるように改良を行った。この時間分解システムを用いて、有機ELデバイス駆動時におけるSFGスペクトルの電圧応答の時間応答の測定を進めている。予備的な研究では、パルス電圧印加により、(1)電極に電圧が印加され、電荷が注入されていない状態、(2)有機EL素子内部の電荷生成層界面で電荷分離により成功が生成、(3)素子内部に正孔が蓄積、している状態を時間変化としてとらえることに成功している。さらにパルス電圧消失時に、(1)電荷生成層界面での正孔の再結合によるカチオンの消失、(2)内部電荷消失による初期状態への復帰の時間応答を観測することに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
パルス電圧印加により有機デバイス素子内部の電荷挙動の時間応答を追跡するシステムについてはプログラムの改良、システムの最適化が順調に進展し、多層有機EL実デバイスを用いた指測定を重ねている。本システムの特徴は対象とする有機エレクトロニクスデバイスの材料に応じた可視励起光を用いることが可能な「二重共鳴SFG」測定が可能なことである。この2重共鳴を活用することにより、目的とする有機デバイスの特定材料における電荷挙動を選択してとらえることが可能となる。
本年度は、まず昨年故障により更新したレーザーの調整と装置の最適化を進めた。レーザーの特性がこれまで使用していたものと異なるため、赤外光、可視光生成のためのビーム径の最適化と可視赤外の波長可変ユニットのタイミング合わせを進めた。また素子への電圧印加に伴う電荷挙動を詳細に計測するために、素子へパルス電圧を印加しその時間変化を追跡することが可能な、時間分解SFG分光システム構築のためのプログラム及び装置の整備を進めた。パルスレーザーから取り出したプレトリガーをデジタル遅延発生器に取り込み、これを基準に電圧可変のパルス電圧を発生させる。出力された電圧パルスは高速バイポーラーアンプで増幅され、素子に電圧パルスを印加する。素子の駆動状態は素子直上に設置した光電子増倍管もしくは電圧プローブによりモニターする。この時間応答二重共鳴SFG分光システムによりパルス電圧印加時の有機EL素子の電圧応答の実時間計測を進めている。燐光型の多層有機EL実デバイスの計測では、可視光励起波長を可変にして電荷輸送層に用いた材料の電子励起に最適な波長を選択してSFG測定を行うことにより、電荷輸送層における電荷生成、消失状態の時間応答の観測に成功し、現在結果を論文として投稿準備を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
有機EL実デバイスでの高速時間応答電界誘起2重共鳴SFG分光システムが完成したことにより、本年度は、本システムを用いて有機EL実素子における電荷輸送状態の実時間計測、ならびに有機電界効果トランジスタの電界誘起SFG分光計測と解析を進めていく予定である。これまで燐光型の多層有機EL素子での時間応答電界誘起効果のSFG測定を進めてきたが、燐光素子は発光層内のホストから発光材料への電荷移動が伴い、その部分に関してはSFG分光ではとらえることが難しい。このEL素子における発光過程に関わる現象に関連した電荷状態の変化を詳細にとらえるために、類似の材料と素子構成を持つ蛍光型有機EL素子を用いて、電荷輸送だけでなく発光過程も含めた電荷挙動観察を進めていく予定である。
さらに有機電界効果トランジスタを対象としたパルス電圧印加時の電荷蓄積挙動の直接観察に着手する。本研究では特に有機配向薄膜において配向秩序を制御した系を対象とするべく、有機膜の配向による電荷蓄積挙動の変化、素子特性との相関の詳細な検討を、分担者と連携して進めていく。対象とする有機電界効果トランジスタには摩擦転写法により配向制御した有機薄膜を用いた実デバイスを想定している。ソース、ドレイン間の膜配向方向に異方性を持たせることにより素子特性並びに電荷輸送特性にどのような違いが現れるについて、SFG計測を用いた評価解析を進めていき、素子特性と膜の配向秩序、電荷蓄積挙動との相関について検討を進める。
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